特許 7642216 スパー型洋上風力発電設備の施工方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-02-28

(45)【発行日】2025-03-10

(54)【発明の名称】スパー型洋上風力発電設備の施工方法

(51)【国際特許分類】

   B63B 75/00 20200101AFI20250303BHJP

   B63B 35/00 20200101ALI20250303BHJP

   B63B 22/20 20060101ALI20250303BHJP

   B63B 35/34 20060101ALI20250303BHJP

   F03D 13/25 20160101ALI20250303BHJP

【ＦＩ】

B63B75/00

B63B35/00 T

B63B22/20

B63B35/34 A

F03D13/25

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2023511170

(86)(22)【出願日】2022-03-25

(86)【国際出願番号】 JP2022014409

(87)【国際公開番号】W WO2022210359

(87)【国際公開日】2022-10-06

【審査請求日】2023-07-31

(31)【優先権主張番号】P 2021054617

(32)【優先日】2021-03-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000166432

【氏名又は名称】戸田建設株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504145342

【氏名又は名称】国立大学法人九州大学

(74)【代理人】

【識別番号】100104927

【弁理士】

【氏名又は名称】和泉 久志

(72)【発明者】

【氏名】宇都宮 智昭

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 郁

(72)【発明者】

【氏名】田中 康二

(72)【発明者】

【氏名】新川 泰弘

(72)【発明者】

【氏名】酒井 賢太

【審査官】結城 健太郎

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１４／１８７９７７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０２０－１７２８７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１４０７２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第６１１３７３５（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】佐藤郁，宇都宮智昭，白石崇，大久保寛，環境省 浮体式洋上風力発電実証事業 ―その２ 小規模試験機の施工について―，風力エネルギー利用シンポジウム，日本，日本風力エネルギー学会，2012年，第34巻，pp.187-190，DOI: 10.11333/jweasympo.34.0_187，ISSN 1884-4588

【文献】宇都宮智昭，佐藤郁，白石崇，五島市椛島における浮体式洋上風力発電について，システム/制御/情報，日本，システム制御情報学会，2016年09月15日，第60巻第9号，pp.402-406，DOI: 10.11509/isciesci.60.9_402，ISSN:2424-1806(online),0916-1600(print)

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ６３Ｂ ３５／００，２２／２０，７５／００，

Ｆ０３Ｄ １３／２５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

スパー型の浮体と、該浮体の上に立設されるタワーと、該タワーの頂部に取り付けられるナセルと、該ナセルに取り付けられる複数枚のブレードとを備えるスパー型洋上風力発電設備の施工方法であって、
前記浮体の底部に所定量の固形バラストを投入した状態とし、前記固形バラストの投入領域内に、排水ポンプを配置するとともに、その周囲を所定高さの有孔管によって囲んだバラスト水の排水設備を設け、前記浮体上部にタワーとナセルと必要に応じて所定枚数のブレードとを取り付けて一括施工状態とし、岸壁にて半潜水型台船に積み込み、スパー型洋上風力発電設備の設置海上まで運搬する第１手順と、
スパー型洋上風力発電設備の設置海上において、前記半潜水型台船に注水を行って半潜水状態とし、前記スパー型洋上風力発電設備を海水に浮かばせるとともに、前記半潜水型台船を待避させる第２手順と、
前記浮体内にバラスト水を注水することにより、スパー型洋上風力発電設備の立て起こしを行う第３手順と、
未取付け分のブレードがある場合は大型起重機船を用いて取り付け、最後にバラスト水の調整によって所定の吃水状態とする第４手順とからなることを特徴とするスパー型洋上風力発電設備の施工方法。

【請求項2】

前記第３手順のスパー型洋上風力発電設備の立て起こしに際して、
事前にスパー型洋上風力発電設備の浮体又はタワーに対して、重心偏心化手段によって重心位置を偏心させた状態とし、バラスト水の注水を継続的に行い、スパー型洋上風力発電設備を直立に起立させる請求項１記載のスパー型洋上風力発電設備の施工方法。

【請求項3】

前記第３手順のスパー型洋上風力発電設備の立て起こしに際して、
事前にスパー型洋上風力発電設備の浮体又はタワーに対して、重心偏心化手段によって重心位置を偏心させた状態とし、バラスト水の注水を行い、スパー型洋上風力発電設備が立て起こし動作を開始した後、所定量でバラスト水の注水を停止することによってスパー型洋上風力発電設備を直立に起立する以前の斜め状態で一旦停止させた後、更にバラスト水を徐々に注水することによりスパー型洋上風力発電設備を直立に起立させる請求項１記載のスパー型洋上風力発電設備の施工方法。

【請求項4】

前記重心偏心化手段は、前記スパー型洋上風力発電設備用浮体の外面に着脱自在に取り付けたウエイトとする請求項２、３いずれかに記載のスパー型洋上風力発電設備の施工方法。

【請求項5】

前記ウエイトは、立て起こしした際に、海面上の位置に取り付けてある請求項４記載のスパー型洋上風力発電設備の施工方法。

【請求項6】

前記重心偏心化手段は、前記浮体の内部に投入した固形バラストとする請求項２、３いずれかに記載のスパー型洋上風力発電設備の施工方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、比較的水深の深い海上に設置されるスパー型洋上風力発電設備の施工方法、具体的には少なくともタワーとナセルとを含めた一括施工状態でスパー型洋上風力発電設備を施工するための方法に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、下記特許文献１では、浮体と、係留索と、タワーと、タワーの頂部に設備されるナセル及び複数のブレードとからなる洋上風力発電設備であって、前記浮体は、コンクリート製のプレキャスト筒状体を高さ方向に複数段積み上げ、各プレキャスト筒状体をＰＣ鋼材により緊結し一体化を図った下側コンクリート製浮体構造部と、この下側コンクリート浮体構造部の上側に連設された上側鋼製浮体構造部とからなるスパー型の浮体構造とした洋上風力発電設備が提案されている。なお、スパー型とは、棒状の釣り浮きのように細長い円筒形状の浮体構造を言う。

【0003】

前記スパー型洋上風力発電設備を海上に設置する場合、波の穏やかな湾内で施工を行うのが望ましいが、浮体の吃水（水面下の部分）が概ね７０ｍ以上と深いのに対して、湾内の水深は一般的にこれよりも浅いため、湾内での施工は困難であった。このため、スパー型洋上風力発電設備の設置に当たっては、下記特許文献２に示されるように、製作ヤードに隣接した海上で、浮体を横向きに浮かべて曳航船により設置場所まで運搬するか、浮体を台船に搭載して曳航して設置場所まで運搬するかした後、浮体の立て起こしに当たっては、バラスト水を注水するとともに、浮体の底部に結んだウインチからのワイヤーを徐々に繰り出すことによりゆっくりと浮体を直立状態に立て起こし、次に固形バラストを投入して吃水を確保した後、タワーと、ナセルと、複数のブレードと組んだ状態で大型起重機船に設備されたクレーンによって一気に浮体に連結するようにするか、タワー、ナセル、ブレードの順で大型起重機船に設備されたクレーンによって取り付けるようにしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許第５２７４３２９号公報

【文献】特開２０１２－２０１２１９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

従来の洋上風力発電設備の施工では、浮体のみの状態で海上の設置場所まで運搬したならば、設置場所の海上にて、浮体の立て起こしのためにバラスト水の大量投入が必要である。そして、浮体の立て起こし完了後に固形バラストを投入すると同時にバラスト水の排出を行い、更に変電設備の据え付けを行った後、タワー、ナセル、ブレードを取り付ける際には、この重量に見合うようにバラスト水の調整を行うようにしていた。しかし、従来のこのような施工方法の場合は設置場所の海上にて種々の作業を行う必要があり、作業に多くの時間と手間とを要し、設置する洋上風力発電設備の基数が多くなると工程が長期化する原因になっていた。そこで、現状よりも更なる施工の効率化が強く望まれていた。

【0006】

一方で、ウインチからの繰出したワイヤーで補助しながら浮体の立て起こしを行うのは、バラスト水を注水していくとある時点で急激に浮体が直立に起立し、その浮体の慣性力によって直立状態になった際に揺動（振動）を発生させ、それによって浮体或いはその付帯設備に損傷が発生するおそれがあるからである。従って、洋上における浮体の立て起こし作業は細心の注意と慎重さを要する危険作業となっていた。

【0007】

そこで本発明の第１の課題は、スパー型洋上風力発電設備の施工に当たって、現状より更なる施工の効率化を図り、施工期間の短縮を図ることにある。

【0008】

第２に、バラスト水の注水によるスパー型洋上風力発電設備の立て起こしを安全かつ効率的に行う方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記第１課題を解決するために請求項１に係る本発明として、スパー型の浮体と、該浮体の上に立設されるタワーと、該タワーの頂部に取り付けられるナセルと、該ナセルに取り付けられる複数枚のブレードとを備えるスパー型洋上風力発電設備の施工方法であって、
前記浮体の底部に所定量の固形バラストを投入した状態とし、前記固形バラストの投入領域内に、排水ポンプを配置するとともに、その周囲を所定高さの有孔管によって囲んだバラスト水の排水設備を設け、前記浮体上部にタワーとナセルと必要に応じて所定枚数のブレードとを取り付けて一括施工状態とし、岸壁にて半潜水型台船に積み込み、スパー型洋上風力発電設備の設置海上まで運搬する第１手順と、
スパー型洋上風力発電設備の設置海上において、前記半潜水型台船に注水を行って半潜水状態とし、前記スパー型洋上風力発電設備を海水に浮かばせるとともに、前記半潜水型台船を待避させる第２手順と、
前記浮体内にバラスト水を注水することにより、スパー型洋上風力発電設備の立て起こしを行う第３手順と、
未取付け分のブレードがある場合は大型起重機船を用いて取り付け、最後にバラスト水の調整によって所定の吃水状態とする第４手順とからなることを特徴とするスパー型洋上風力発電設備の施工方法が提供される。

【0010】

上記請求項１記載の発明では、浮体にタワーとナセルと必要に応じて所定枚数のブレードとを取り付けて一括施工状態とし、岸壁にて半潜水型台船に積み込み、スパー型洋上風力発電設備の設置海上まで運搬する。この際に、ナセルは数十トン～数百トンの重量物であるとともに、ブレードも重量物であるため、現地海上でのフロートオフ時にナセルやブレードが水没しないようにスパー型洋上風力発電設備の重心をかなり下げておく必要がある。また、タワーを取り付けた後は固形バラストの投入は難しいため、予め浮体の内部には、前記浮体の底部に所定量の固形バラストを投入した状態とする。前記固形バラストの事前投入は、スパー型洋上風力発電設備の重心を下げるのに寄与し、フロートオフ時にナセルやブレードが水没しないように斜めの半水没状態とすることができる。

【0011】

スパー型洋上風力発電設備を設置する海上まで運搬した後は、半潜水型台船に注水を行って半潜水状態とし、前記スパー型洋上風力発電設備を海水に浮かばせるとともに、前記半潜水型台船を待避させる（第２手順）。

【0012】

そして、前記浮体内にバラスト水を注水することにより、スパー型洋上風力発電設備の立て起こしを行う（第３手順）。その後に、未取付け分のブレードがある場合、大型起重機船を用いて取り付けるとともに、最後にバラスト水の調整によって所定の吃水状態とする（第４手順）。

【0013】

本発明では、浮体のみではなく、これにタワーと、ナセルと、必要に応じて所定枚数のブレードとを取り付けて一括施工状態として、運搬から立て起こし、未取付け分のブレードの取付け作業を行うようにしたため、現状よりも更なる施工の効率化を図ることができ、施工期間の短縮を図ることが可能になる。

【0014】

また、予め浮体内に固形バラストを投入するため、設置海上ではバラスト水の注入及び排出だけで済むようになるため、この点でも施工の効率化が図れることになり、施工期間の短縮化に資するようになる。

【0015】

本発明では、予め、前記固形バラストの投入領域内に、排水ポンプを配置するとともに、その周囲を所定高さの有孔管によって囲んだバラスト水の排水設備を設けるようにするものである。本発明は、少なくともタワーと、ナセルと、必要に応じて所定枚数のブレードとを取り付けて一括施工状態とするものであり、海上に浮かべた状態で浮体の下端側が沈み、ナセルやブレードは水没しないように対策する必要がある。そのため、固形バラストを事前に投入しておくようにしているが、ナセル、ブレードやブレードはかなりの重量物となるため、固形バラストの増量が必要になる場合が想定される。そのような場合でも、固形バラスト領域内の水をも排除可能とすることで、最小バラスト水量の低減を図ることが可能になる。

【0016】

第２の課題を解決するために請求項２に係る本発明として、前記第３手順のスパー型洋上風力発電設備の立て起こしに際して、
事前にスパー型洋上風力発電設備の浮体又はタワーに対して、重心偏心化手段によって重心位置を偏心させた状態とし、バラスト水の注水を継続的に行い、スパー型洋上風力発電設備を直立に起立させる請求項１記載のスパー型洋上風力発電設備の施工方法が提供される。

【0017】

上記請求項２記載の発明では、スパー型洋上風力発電設備の立て起こしに当たって、事前にスパー型洋上風力発電設備の浮体又はタワーに対して、重心偏心化手段によって重心位置を偏心させた状態とするものである。重心位置を偏心させておくと、後述の〔実施例〕に示されるように、バラスト水の注水によって横向きで浮かんだ状態から立上り動作に移行した際に、この立上り動作が緩慢になるとともに、直立状態に近くなってからの動揺を小さく押さえられるようになる。

【0018】

ここで、「重心位置の偏心」とは、浮体の長手方向中心軸に沿った方向のみの偏心を意味するものではなく、浮体の長手方向中心軸に直交する面方向への偏心を含む重心位置の移動を意味するものである。

【0019】

従って、バラスト水の注水によるスパー型洋上風力発電設備の立て起こしを安全かつ効率的に行うことが可能になる。

【0020】

第２の課題を解決するために請求項３に係る本発明として、前記第３手順のスパー型洋上風力発電設備の立て起こしに際して、
事前にスパー型洋上風力発電設備の浮体又はタワーに対して、重心偏心化手段によって重心位置を偏心させた状態とし、バラスト水の注水を行い、スパー型洋上風力発電設備が立て起こし動作を開始した後、所定量でバラスト水の注水を停止することによってスパー型洋上風力発電設備を直立に起立する以前の斜め状態で一旦停止させた後、更にバラスト水を徐々に注水することによりスパー型洋上風力発電設備を直立に起立させる請求項１記載のスパー型洋上風力発電設備の施工方法が提供される。

【0021】

上記請求項３記載の発明は、スパー型洋上風力発電設備の立て起こしの第２発明方法である。具体的には、スパー型洋上風力発電設備の立て起こしに当たって、事前にスパー型洋上風力発電設備の浮体又はタワーに対して、重心偏心化手段によって重心位置を偏心させた状態とする。重心位置を偏心させておくと、バラスト水の注水によって横向きで浮かんだ状態から起立する動作に移行した際に、この立上り動作を緩慢化できるようになる。

【0022】

次いで、バラスト水の注水を行い、前記スパー型洋上風力発電設備用浮体が立て起こし動作を開始した後、所定量でバラスト水の注水を停止することによって前記スパー型洋上風力発電設備を直立に起立する以前の斜め状態で停止させるようにする。浮体の重心位置を偏心させることにより立上り動作を緩慢化できたことにより、バラスト水を所定の注水量で停止することで、浮体を直立に起立する以前の斜め状態で停止させることが容易に可能になる。

【0023】

最後に、更にバラスト水を徐々に注水することによりスパー型洋上風力発電設備を直立に起立させる。スパー型洋上風力発電設備が斜めに停止した状態から直立させる場合は、慣性力は僅かしか作用しないため直立直後の動揺をほぼ無くすことが可能になる。

【0024】

従って、バラスト水の注水によるスパー型洋上風力発電設備の立て起こしを安全かつ効率的に行うことが可能になる。

【0025】

請求項４に係る本発明として、前記重心偏心化手段は、前記スパー型洋上風力発電設備用浮体の外面に着脱自在に取り付けたウエイトとする請求項２、３いずれかに記載のスパー型洋上風力発電設備の施工方法が提供される。

【0026】

上記請求項４記載の発明は、前記重心偏心化手段の第１形態例を示したものである。具体的には、前記重心偏心化手段として、前記スパー型洋上風力発電設備用浮体の外面に着脱自在に取り付けたウエイトとするものである。

【0027】

請求項５に係る本発明として、前記ウエイトは、立て起こしした際に、海面上の位置に取り付けてある請求項４記載のスパー型洋上風力発電設備用浮体の立て起こし方法が提供される。

【0028】

上記請求項５記載の発明は、前記ウエイトは、立て起こしした際に、海面上の位置に取り付けるようにしたものである。浮体を立て起こした後、不要になったウエイトの撤去が容易に行えるようになる。

【0029】

請求項６に係る本発明として、前記重心偏心化手段は、前記浮体の内部に投入した固形バラストとする請求項２、３いずれかに記載のスパー型洋上風力発電設備の施工方法が提供される。

【0030】

上記請求項６記載の発明は、前記重心偏心化手段の第２形態例を示したものである。具体的には、前記重心偏心化手段として、前記スパー型洋上風力発電設備用浮体の内部に投入した固形バラストを利用するものである。固形バラストは、通常、浮体を立て起こしした後に浮体内に投入されるものであるが、水とは異なり固形バラストならば、安息角（崩れないで安定を保持し得る斜面角度）の傾斜角度までは移動することなく偏在状態を保持するため重心位置を偏心させる手段となり得る。また、安息角を越えてから固形バラストの移動速度は水と比べて遅く直立する直前までは偏心量は漸減しながらも偏心状態を維持するため、重心偏心化手段として採用することが可能である。

【発明の効果】

【0031】

以上詳説のとおり本発明によれば、スパー型洋上風力発電設備の施工に当たって、現状より更なる施工の効率化を図り、施工期間の短縮を図ることが可能になる。

【0032】

また、バラスト水の注水によるスパー型洋上風力発電設備の立て起こしを安全かつ効率的に行うことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0033】

【図1】スパー型洋上風力発電設備１の全体側面図である。

【図2】浮体４の縦断面図である。

【図3】プレキャスト筒状体１５を示す、(A)は縦断面図、(B)は平面図(B-B線矢視図)、(C)は底面図(C-C線矢視図)である。

【図4】プレキャスト筒状体１５同士の緊結要領図(A)(B)である。

【図5】下側コンクリート製浮体構造部４Ａと上側鋼製浮体構造部４Ｂとの境界部を示す縦断面図である。

【図6】浮体内部への固形バラスト投入状態及び排水設備２９の設置状態を示す、(A)は浮体底部縦断面図、(B)はその横断面図である。

【図7】スパー型洋上風力発電設備１の施工手順（その１）である。

【図8】スパー型洋上風力発電設備１の施工手順（その２）である。

【図9】スパー型洋上風力発電設備１の施工手順（その３）である。

【図10】スパー型洋上風力発電設備１の施工手順（その４）である。

【図11】スパー型洋上風力発電設備１の施工手順（その５）である。

【図12】スパー型洋上風力発電設備１の施工手順（その６）である。

【図13】スパー型洋上風力発電設備１の施工手順（その７）である。

【図14】スパー型洋上風力発電設備１の施工変形例を示す図である。

【図15】重心偏心化手段の第２形態例を示す浮体４の立て起こし手順（その１）である。

【図16】その立て起こし手順（その２）である。

【図17】その立て起こし手順（その３）である。

【図18】その立て起こし手順（その４）である。

【図19】その立て起こし手順（その５）である。

【図20】浮体模型４０の側面図である。

【図21】実験値と解析結果の比較を示すグラフである。

【図22】浮体重心位置の偏心による応答（立て起こし動作）への影響を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0034】

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。
〔スパー型洋上風力発電設備１〕
本発明の係る「スパー型洋上風力発電設備の施工方法」を説明する前に、スパー型洋上風力発電設備１の構造例について、図１～図５に基づいて詳述する。

【0035】

前記スパー型洋上風力発電設備１は、図１に示されるように、筒状形状を成すスパー型の浮体４と、この浮体４に繋がれた係留索５と、タワー６と、タワー６の頂部に設備されるナセル８及び複数のブレード９，９…からなる風車７とから構成されるものである。

【0036】

前記浮体４は、図２に示されるように、コンクリート製のプレキャスト筒状体１５、１５…を高さ方向に複数段積み上げ、各プレキャスト筒状体１５、１５…をＰＣ鋼材１９により緊結し一体化を図った下側コンクリート製浮体構造部４Ａと、この下側コンクリート浮体構造部４Ａの上側に連設された上側鋼製浮体構造部４Ｂとからなる。

【0037】

前記下側コンクリート浮体構造部４Ａを構成している前記プレキャスト筒状体１５は、図３に示されるように、軸方向に同一断面とされる円形筒状のプレキャスト部材であり、それぞれが同一の型枠を用いて製作されるか、遠心成形により製造された中空プレキャスト部材が用いられる。

【0038】

壁面内には鉄筋２０の他、周方向に適宜の間隔でＰＣ鋼棒１９を挿通するためのシース２１、２１…が埋設されている。このシース２１、２１…の下端部にはＰＣ鋼棒１９同士を連結するためのカップラーを挿入可能とするためにシース拡径部２１ａが形成されているとともに、上部には定着用アンカープレートを嵌設するための箱抜き部２２が形成されている。また、上面には吊り金具２３が複数設けられている。

【0039】

プレキャスト筒状体１５同士の緊結は、図４(A)に示されるように、下段側プレキャスト筒状体１５から上方に延長されたＰＣ鋼棒１９、１９…をシース２１、２１…に挿通させながらプレキャスト筒状体１５，１５を積み重ねたならば、アンカープレート２４を箱抜き部２２に嵌設し、ナット部材２５によりＰＣ鋼棒１９に張力を導入し一体化を図る。また、グラウト注入孔２７からグラウト材をシース２１内に注入する（図４(B)参照）。なお、前記アンカープレート２４に形成された孔２４ａはグラウト注入確認孔であり、該確認孔からグラウト材が吐出されたことをもってグラウト材の充填を終了する。

【0040】

次に、図４(B)に示されるように、ＰＣ鋼棒１９の突出部に対してカップラー２６を螺合し、上段側のＰＣ鋼棒１９、１９…を連結したならば、上段となるプレキャスト筒状体１５のシース２１、２１…に前記ＰＣ鋼棒１９、１９…を挿通させながら積み重ね、前記要領によりＰＣ鋼棒１９の定着を図る手順を順次繰り返すことにより高さ方向に積み上げられる。この際、下段側プレキャスト筒状体１５と上段側プレキャスト筒状体１５との接合面には止水性確保及び合わせ面の接合のためにエポキシ樹脂系などの接着剤２８やシール材が塗布される。

【0041】

前記上側鋼製浮体構造部４Ｂは、図２に示されるように、相対的に下段側に位置する鋼製筒状体１７と、相対的に上段側に位置する鋼製筒状体１８とで構成されている。下段側の鋼製筒状体１７は、下側部分がプレキャスト筒状体１５と同一の外径寸法とされ、プレキャスト筒状体１５に対して連結されている。前記鋼製筒状体１７の上側部分は漸次直径を窄めた截頭円錐台形状を成している。

【0042】

上段側の鋼製筒状体１８は、前記下段側の鋼製筒状体１７の上部外径に連続する外径寸法とされる筒状体とされ、下段側の鋼製筒状体１７に対してボルト又は溶接等（図示例はボルト締結）によって連結される。

【0043】

一方、前記タワー６は、鋼材、コンクリート又はＰＲＣ（プレストレスト鉄筋コンクリート）から構成されるものが使用されるが、好ましいのは総重量が小さくなるように鋼材によって製作されたものを用いるのが望ましい。タワー６の外径と前記上段側鋼製筒状体１８の外径とはほぼ一致しており、外形状は段差等が無く上下方向に連続している。図示例では、上段側鋼製筒状体１８の上部に梯子１３が設けられ、タワー６と上段側鋼製筒状体１８とのほぼ境界部に周方向に歩廊足場１４が設けられている。

【0044】

前記係留索５の浮体４への係留点Ｋは、図１に示されるように、海面下であってかつ浮体４の重心Ｇよりも高い位置に設定してある。従って、船舶が係留索５に接触するのを防止できるようになる。また、浮体４の倒れ過ぎを抑えるように係留点に浮体４の重心Ｇを中心とする抵抗モーメントを発生させるため、タワー６の傾動姿勢状態を適性に保持し得るようになる。この係留索５の他端は海底に沈めたアンカーに対して繋いである。

【0045】

一方、前記ナセル８は、風車７の回転を電気に変換する発電機やブレード９の角度を自動的に変えることができる制御器などが搭載された装置である。このナセル８は、かなりの重量物となり、数十トンから数百トンの重さを有する。因みに、５ＭＷの風車のナセル重量は２００tを超えるようになる。

【0046】

前記ブレード９は、近年は剛性の高い炭素繊維複合材料によって作られたものが主流となっている。羽根枚数は３～５枚程度であるが、最も多いのが３枚構造のものである。

【0047】

〔スパー型洋上風力発電設備の施工方法〕
次に、前述したスパー型洋上風力発電設備１の施工方法について詳述する。

【0048】

本発明は、スパー型の浮体４と、該浮体４に上に立設されるタワー６と、該タワー６の頂部に取り付けられるナセル８と、該ナセル８に取り付けられる複数枚のブレード９とを備えるスパー型洋上風力発電設備１の施工方法であって、
前記浮体４の底部に所定量の固形バラスト３２を投入した状態とし、この浮体４の上部にタワー６とナセル８と必要に応じて所定枚数のブレード９とを取り付けて一括施工状態とし、岸壁にて半潜水型台船３３に積み込み、スパー型洋上風力発電設備１を設置する海上まで運搬する第１手順と、
洋上風力発電設備１を設置する海上において、前記半潜水型台船３３に注水を行って半潜水状態とし、前記スパー型洋上風力発電設備１を海水に浮かばせるとともに、前記半潜水型台船３３を待避させる第２手順と、
前記浮体４内にバラスト水を注水することにより、スパー型洋上風力発電設備１の立て起こしを行う第３手順と、
未取付け分のブレード９がある場合、大型起重機船を用いて取り付けるとともに、バラスト水の調整によって所定の吃水状態とする第４手順とからなるものである。以下、図６～図１４に基づいて具体的に詳述する。

【0049】

＜第１手順＞
所定の岸壁エリアにおいて、浮体４の製作を行ったならば、図６に示されるように、前記浮体４の底部に所定量の固形バラスト３２を投入した状態とする。また、前記固形バラスト３２の投入領域内に、バラスト水を排水するための排水ポンプ３０を設置するとともに、その周囲を所定高さの有孔管３１に囲むようにしたバラスト水排水設備２９を設けるようにする。

【0050】

前記排水ポンプ３０の周囲を有孔管３１で囲むのは、固形バラスト３２が入って来ないようにするためであり、有孔管３１の孔径が固形バラストの粒径よりも大きい場合には、有孔又は無孔の不織布、繊維状シートなどの透水性シートによって前記有孔管３１の周囲を覆うようにするのがよい。前記有孔管３１の高さは、少なくとも固形バラスト３２の高さよりも高くするようにする。図６に示す形態例では、前記固形バラスト３２の上面は通孔板３３によって蓋がされており、固形バラスト３２は移動できないように拘束されている。

【0051】

本発明では、少なくともタワー６と、ナセル８と、必要に応じて所定枚数のブレード９とを取り付けて一括施工状態とするものである。そのため、海上に浮かべた際に、前記ナセル８やブレード９が水没しないようにするための水没対策が必要であるため、重心位置を下端側に移動させるために、固形バラスト３２を事前に投入しておくようにしている。しかし、前記タワー６、ナセル８やブレード９はかなりの重量物となるため、固形バラスト３２の増量が必要になる場合が想定される。そのような場合でも、固形バラスト３２領域内の水をも排除可能とすることで、最小バラスト水量の低減を図ることが可能になる。

【0052】

前記固形バラスト３２としては、水より高比重である粉粒状のものが使用され、具体的には、砂、砂利、重晶石を含む鉱物類及び鉄、鉛等の金属粉、金属粒を含む金属類のうち一種または複数種の組み合わせからなるものとすることが好ましい。固形バラスト３２の材質を調整することで、適切な比重のバラスト材が投入できるようになる。

【0053】

次に、前記浮体４の上部にタワー６を連結するとともに、ナセル８を取付け、更に必要に応じて所定枚数のブレード９とを取り付けて一括施工状態とする（この状態もスパー型洋上風力発電設備１とする）。この形態例では、ブレード９については、一括施工状態では取り付けずに、後で別途取付けを行うようにする例を示している。

【0054】

スパー型洋上風力発電設備１の運搬は、図７に示されるように、半潜水型台船３３を用いるようにする。半潜水型台船３３のバラスト水調整しながら半潜水型台船３３に積み込みを行う。この際、浮体４又はタワー６に対して重心位置を偏心させるためのウエイト２を着脱自在に取り付けておくようにする。前記ウエイト２が本発明の「重心偏心化手段」を構成するものである。前記ウエイト２については、取り外しの便宜から、前記浮体４又はタワー６の外面であって、立て起こしした際に、海面上となる位置に取り付けておくことが望ましい。前記ウエイト２を取り付けておくことの利点については後述することとする。

【0055】

ここで、重心位置の偏心とは、スパー型洋上風力発電設備１の長手方向中心軸に沿った方向（Ｚ軸）のみの偏心を意味するものではなく、スパー型洋上風力発電設備１の長手方向中心軸に直交する面方向（Ｘ，Ｙ軸面）への偏心を含む重心位置の移動を意味するものである。従って、前記ウエイト２は、スパー型洋上風力発電設備１の外面の１箇所に設けるようにすればよく、スパー型洋上風力発電設備１の外面に対称位置となるように偶数箇所（例えば、１８０°方向位置又は９０°方向位置等）に設けるのは望ましくない。

【0056】

そして、同図７に示されるように、曳航船３４によって設置場所の海上まで運搬する。

【0057】

＜第２手順＞
スパー型洋上風力発電設備１のフロートオフ（浮上・進水）は、図８に示されるように、前記半潜水型台船３３に注水を行って半潜水状態とし、スパー型洋上風力発電設備１を海水に浮かばせるとともに、前記半潜水型台船３３は待避させるようにする。スパー型洋上風力発電設備１を海水に浮かばせた状態では、事前の浮体４内部への固形バラスト３２の投入によって、スパー型洋上風力発電設備１の重心位置が下端側に移動されているため、図９に示されるように、スパー型洋上風力発電設備１は傾いた状態で浮かび、ナセル８は海面から上方側に離れた状態となっている。

【0058】

＜第３手順＞
次に、図９に示されるように、フロートオフされたスパー型洋上風力発電設備１に対して、注水が可能なように、バラストポンプ設備を搭載したバラスト台船３５を近接させるとともに、バラストホース３６を浮体４の内部に挿入してバラスト水の供給を可能とする。

【0059】

バラスト水の注水を行い、スパー型洋上風力発電設備１の内部に所定量のバラスト水が継続的に一定水量ずつ注水されると、最初は少しづつではあるが、浮体のピッチ角（浮体４の長手方向中心軸と水面との成す傾斜角度θ）が上昇する。そして、ある時点を過ぎると、図１０に示されるように、急激に浮体４は起立動作を開始するようになる。そして、図１１に示されるように、スパー型洋上風力発電設備１がほぼ垂直に起立する。

【0060】

前記浮体４又はタワー６にウエスト２を取り付けて、重心位置を偏心させておくようにすると、後述の〔実施例〕に示されるように、バラスト水の注水によって横向きで浮かんだ状態から立上り動作に移行した際に、この立上り動作が緩慢になるとともに、直立状態に近くなってからの動揺を小さく押さえられるようになる。従って、バラスト水の注水によるスパー型洋上風力発電設備１の立て起こしを安全かつ効率的に行うことが可能になる。

【0061】

スパー型洋上風力発電設備１を起立させたならば、図１２に示されるように、前記ウエイト２を撤去する。

【0062】

また、同図１２に示されるように、浮体４の上部に梯子１３を取り付けるとともに、歩廊足場１４を設ける。更に、前記浮体４に係留索５の一端を繋ぎ止めるとともに、他端を海底に沈設したアンカーに繋ぎ止めて浮体４の安定を図る。

【0063】

＜第４手順＞
次いで、未取付け分のブレード９、９…がある場合は、図１３に示されるように、大型起重機船３７に設備されたクレーンによって吊り下げながらナセル８に取り付けるようにする。なお、ブレード９の取付けは、一括で行っても良いし、一枚ずつ行うようにしても良い。

【0064】

すべての構成部材の取付けが完了したならば、バラスト水の調整によって所定の吃水状態とし、施工を完了する。

【0065】

ところで、前記ブレード９などの取付に際しては、その重量に見合う量のバラスト水の排出が必要になるが、固形バラスト３２内に設けた前記バラスト水排水設備２９によって固形バラスト３２中のバラスト水を排水することが可能になっているため最小バラスト水量の低減も容易である。また、撤去時においても、固形バラスト３２中のバラスト水を排水することが可能であるため、フロートオンが可能な傾斜の確保が容易になる。

【0066】

〔スパー型洋上風力発電設備１の立て起こし方法の他例〕
次に、スパー型洋上風力発電設備１の立て起こし方法の第２形態例について詳述する。

【0067】

本第２形態例では、ウエイト２を予め取り付けておく点は同じであるが、バラスト水の注水方法を変えることによって、より安全にかつ効率的に行うことが可能になる。

【0068】

本第２形態例では、バラスト水の注水を行い、スパー型洋上風力発電設備１が立て起こし動作を開始した後、所定量でバラスト水の注水を停止することによってスパー型洋上風力発電設備１を直立に起立する以前の斜め状態で一旦停止させた後、更にバラスト水を徐々に注水することによりスパー型洋上風力発電設備１を直立に起立させるようにするものである。

【0069】

継続的に注水を行う第１形態例と対比すると、スパー型洋上風力発電設備１が急激な直立動作を開始したその途中で、バラスト水の注水を停止することによって、スパー型洋上風力発電設備１を直立に起立する以前の斜め状態で停止させるようにした点で異なるものとなっている。

【0070】

重心位置を偏心させるウエイト２を取り付けることで、直立動作が緩慢になるため、スパー型洋上風力発電設備１が直立する以前の斜め状態で停止させることが可能になる。スパー型洋上風力発電設備１を一旦傾斜状態で停止させた後、徐々に注水することによりスパー型洋上風力発電設備１を直立に起立させるようにすることで、スパー型洋上風力発電設備１が直立した際に生じる慣性力による動揺は僅かしか作用しないために、より安全にかつ効率的に行うことが可能になる。

【0071】

ところで、前記重心偏心化手段として、後述の固形バラスト３４を用いる場合、スパー型洋上風力発電設備１を直立に起立する以前の斜め状態で停止させる傾斜角度θは、固形バラスト３２の安息角以下の角度とするのが望ましい。

【0072】

〔重心偏心化手段の第２形態例〕
上記形態例では、重心偏心化手段としてウエイト２を用いた例を示したが、前記重心偏心化手段として、固形バラスト３２を用いた例について、図１５～図１９に基づいて詳述する。なお、これらの図では前記バラスト水排水設備２９については省略されている。

【0073】

図１５に示されるように、所定の岸壁エリアにおいて、スパー型洋上風力発電設備１の製作を行ったならば、バラスト調整しながら半潜水型台船３３に積み込みを行う。スパー型洋上風力発電設備１を積込んだ状態で浮体４の内部に固形バラスト３２を投入する。なお、固形バラスト３２の投入は半潜水型台船３３への積込み前に行うことも可能である。前記固形バラスト３２は何らかの手段で拘束することなく流動可能な状態とする。従って、前記スパー型洋上風力発電設備１は横向きの状態で半潜水型台船３３に積み込まれるため、前記固形バラスト３２は横に広がった状態となっている。すなわち、前記スパー型洋上風力発電設備１が横向きの状態では、前記固形バラスト３２によって前記浮体４の重心位置は偏心した状態となっている。

【0074】

図１７に示されるように、曳航船３４によって設置場所の海上まで運搬するしたならば、スパー型洋上風力発電設備１を海上に浮かばせる。前記スパー型洋上風力発電設備１のフロートオフ（浮上・進水）は、図１６に示されるように、前記半潜水型台船３３に注水を行って半潜水状態とし、スパー型洋上風力発電設備１を海水に浮かばせた後、前記半潜水型台船３３をスパー型洋上風力発電設備１から離隔させるようにする。

【0075】

次に、図１７に示されるように、フロートオフされた浮体４に対して、注水が可能なように、バラスト水のポンプ設備を搭載したバラスト台船３５を近接させるとともに、バラストホース３３をスパー型洋上風力発電設備１の内部に挿入してバラスト水の供給を可能とする。

【0076】

バラスト水の注水を行い、スパー型洋上風力発電設備１の内部に所定量のバラスト水が注水されると、最初は少しづつではあるが、スパー型洋上風力発電設備１のピッチ角（浮体の長手方向線と水面との成す角度θ）が上昇する。そして、ある時点を過ぎると、図１８に示されるように、急激にスパー型洋上風力発電設備１は起立動作を開始するようになる。そして、図１９に示されるように、スパー型洋上風力発電設備１がほぼ垂直に起立する。

【0077】

前記スパー型洋上風力発電設備１が横向きの状態では、内部に投入された固形バラスト３２によって浮体４の重心位置は偏心した状態にあり、バラスト水の注水によってスパー型洋上風力発電設備１のピッチ角θは徐々に上昇する。前記スパー型洋上風力発電設備１が傾斜しても、前記固形バラスト３２は安息角（崩れないで安定を保持し得る斜面角度）の傾斜角度θまでは移動することなく偏在状態を保持する。そして、スパー型洋上風力発電設備１の傾斜角θが安息角を越えてから固形バラスト３２は移動を開始するが、その移動速度は水と比べて遅いため、起立まで時間を掛けながら固形バラスト３２は流動し、最終的に浮体４の底部に充填する状態となることで重心位置の偏心が解消されることになるが、直立する直前までは偏心量は漸減しながらも偏心状態を維持するため、スパー型洋上風力発電設備１の立上り動作が緩慢になるとともに、直立状態に近くなってからの動揺を小さく押さえられるようになる。従って、バラスト水の注水による浮体４の立て起こしを安全かつ効率的に行うことが可能になる。

【0078】

〔他の形態例〕
(1)上記形態例では、一括施工状態のスパー型洋上風力発電設備１は、浮体４、タワー６及びナセル８によって構成されるものとしたが、図１４に示されるように、一括施工状態のスパー型洋上風力発電設備１を浮体４、タワー６、ナセル８及び３枚のブレード９、９…とすることも可能である。なお、ブレード９の取付け枚数は全部としてもよいが、全枚数の内の１又は複数枚とすることも可能である。

【0079】

(2)前記重心偏心化手段として、スパー型洋上風力発電設備１の外面に取り付けたウエイト２を用いる場合と、浮体４の内部に固形バラスト３２を投入する場合との２つの例について説明したが、これらは併用して用いることも可能である。

【実施例】

【0080】

次に、本願発明において、浮体４又はタワー６に対して、重心偏心化手段（ウエイト２又は固形バラスト３２）によって重心位置を偏心させた状態とすることの効果を検証するために行った実験と解析について詳述する。

【0081】

1.水槽実験
1.1 模型諸元
図２０および表１に、浮体模型４０の概要・寸法を示す．想定実機（2MW機）の1/36.11の縮尺となっている．塩化ビニール製パイプを主体として製作し，浮体上部と下部に鉄板を装着することで重量及び重心高さを調整した。また、図２０に示すように、浮体上部端より、65mmおよび418mmの２箇所に動揺計測で使用するマーカー４１、４２を取り付けている。

【0082】

【表1】

【0083】

1.2 計測方法
水槽実験は，試験水槽（幅：24.4 m，長さ：38.8 m，実験時の水深：1.824 m）にて実施した。

【0084】

浮体模型４０を水槽中央にて係留した。係留は，浮体上部を水槽副台車から，浮体下部を水槽岸から行い、係留力によって浮体模型４０の挙動が妨げられることのないよう予め調整するなどした。

【0085】

浮体模型４０の姿勢計測には，リアルタイムでマーカー４１、４２の動きを捕らえるモーションキャプチャーシステム（Qualysis）を使用した。浮体模型４０に取り付けた２つのマーカー４１、４２は，水槽脇に設置された計４台のカメラ（Qualysis 5+；4 MP，2048x2048 pixels, 180fps）によってその動きを捕らえられ、0.02秒（50 Hz）毎に空間座標値として出力される。変換された座標値を基に、浮体中心軸と水面とのなす傾斜角を算出し、これをPitch角とした。

【0086】

1.3 バラスト水の注水
バラスト水の注水は、浮体上部よりホースを通じておこなった。使用したポンプは、タクミナ製スムーズフローポンプ（最大吐出量1.08 L/min、最大吐出圧：1 MPa）である。実験時の流量は、0.73 L/min（実機換算で5.7 m3/min）とした。

【0087】

2.解析方法
解析は、任意のバラスト水が浮体内部にある状態において、浮体自身に作用する重力、内部バラスト水に作用する重力、偏心のためのウエイトに作用する重力、浮体に作用する浮力、運動する浮体が外部の流体から受ける付加質量力および抗力の６つの力を考慮し、これらと浮体運動にともなう慣性力との動的なつり合い条件から浮体姿勢を求めることをプログラム（ADAMS：機構解析ソフト）により行った。

【0088】

3.実験及び解析結果
3.1 実験値と解析結果の比較（立て起し時）
立て起し時の実験結果を、ADAMSによるシミュレーション解析結果と比較して図２１に示す。ここで、内部バラスト水がない状態での浮体自身の重心位置としては、浮体固定座標系に対して(Xg, Yg, Zg)=(0.0022m, 0.0m, 0.788m)を指定している。ただし、浮体固定座標系は浮体底面に原点を取り、浮体中心軸にそって上向きにＺ軸を取り、これと直交する方向にＸ軸およびＹ軸をとっている。

【0089】

図２１より，ADAMSによるシミュレーション解析結果は、実験結果（Experminent No.1）を良好に再現できていることが分かる。

【0090】

3.2 浮体重心位置の偏心による応答への影響（立て起し時）
3.1より、ADAMSによるシミュレーションにより立て起し時における浮体応答を精度よく予測できることが分かったので、次に浮体重心位置の偏心による応答への影響をシミュレーションにより調査する。Xg=0.0（偏心なし）と、ウエイトの取付けによってXg=0.0022m（実験条件と同様）とXg=0.0044m（重心位置の偏心が２倍の場合）とのXgの値を変化させた計３ケースについて、立て起し時の浮体応答のシミュレーションを実施した。その結果を図２２に示す。

【0091】

図２２より、偏心がない場合（Xg=0.0m）は，立ち上がりが急になるとともに直立状態になって以降大きな動揺を生じることがわかる。一方、重心の偏心をXg=0.0022mとしたケース、更に重心の偏心をその２倍大きくとったケースの場合は、立ち上がりが緩慢になるとともに、直立状態に近くなっても小さな動揺しか生じないことが分かる。重心の偏心をXg=0.0022mとしたケースと、重心の偏心をXg=0.0044mとしたケースとの比較により、偏心を大きくすると起立動作の緩慢が大きくなるとともに、直立後の動揺は小さくなることが判明した。

【0092】

以上により、注水による浮体の立て起しにおいては、重心位置の偏心させることで、立ち上がりを緩慢化でき、かつ直立後の動揺を小さく抑えることができることが判明した。

【符号の説明】

【0093】

１…スパー型洋上風力発電設備、４…浮体、４Ａ…下側コンクリート製浮体構造部、４Ｂ…上側鋼製浮体構造部、５…係留索、６…タワー、７・(７')…風車、８…ナセル、９…ブレード、１５…プレキャスト筒状体、１７・１８…鋼製筒状体、１９…ＰＣ鋼棒、２９…バラスト水排水設備、３０…排水ポンプ、３１…有孔管、３２…固形バラスト、３３…半潜水型台船、３４…曳航船、３５…バラスト台船、３６…バラストホース、３７…大型起重機船、４０…浮体模型、４１・４２…マーカー

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】